» » Массив цветных светофильтров

Массив цветных светофильтров

12.01.2022


Массив цветных светофильтров (мозаика цветных светофильтров) — часть светочувствительной матрицы фотоприбора, осуществляющая пространственное цветоделение изображения при помощи фотодатчиков — пикселей матрицы, расположенных за светофильтрами различного цвета. Каждый светочувствительный элемент накрыт одним светофильтром массива.

Таблица расположений цветных фильтров

Дебайеризация

Поскольку каждый элементарный фотодиод матрицы находится за элементарным светофильтром, он фиксирует только информацию о яркости своего пикселя в частичном цветоделённом изображении. Для получения цветного изображения в одном из стандартных цветовых пространств необходима интерпретация этих данных при помощи процесса под названием дебайеризация. При этом происходит разделение пикселей, регистрирующих красный, зелёный и синий цвета, а затем информация преобразуется в цветной файл. Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют собственные адаптивные алгоритмы, как правило, объявляемые производителем ноу-хау. Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров восходят к исходным текстам dcraw — конвертера с открытым кодом, о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Артефакты дебайеризации на примере женской причёски. Canon PowerShot A610 с использованием CHDK. Масштаб 1:1.
1. Цветные артефакты (SilkyPix Developer Studio).
2. Агрессивное (чрезмерное) применение белого цвета (внутрикамерная обработка).
3. Удачная дебайеризация (Adobe Camera RAW).

Сглаживающий фильтр

Антиалиасинговый, сглаживающий, размывающий или низкочастотный фильтр — в разных источниках может использоваться любое из этих названий.

Данный фильтр наносится на матрицу перед цветным фильтром. Его основное назначение — устранение муара на фотографиях, возникающего при съёмке так называемых регулярных структур (часто повторяющихся элементов). Например, муар может возникать на кирпичной стене или ткани пиджака, блузки и т. д. Чем более агрессивный сглаживающий фильтр используется, тем меньше вероятность возникновения муара, но такие фильтры имеют и обратную сторону медали: они размыливают картинку фотографии и при детальном рассмотрении получаются нечёткими, размазанными (замыленными). Правда, ощутимая разница между фотографиями, сделанными матрицами с фильтром и без, возникает только при использовании качественной, резкой оптики. Однако развитие цифровых фотоаппаратов в сторону упрощения их использования, стремление получить конечный продукт — файл jpg, не увеличивая затрат на обработку непосредственно в фотоаппарате, привели к решению о применении рассеивающего фильтра. Это стало компромиссным решением, ныне массово применяемым.

Несмотря на то, что сейчас размывающий фильтр используется в подавляющем большинстве матриц с мозаичными цветовыми фильтрами, в течение 2013 года наметилась тенденция по отказу от сглаживающих фильтров для повышения резкости и детализации фотографий. Поначалу производители стали представлять по две модели своих камер, с размывающими фильтрами и без них, а потом и вовсе с обновлением линейки выпускали одну модель без фильтра. Например, Sony A7 и Sony A7R, Nikon D800 и Nikon D800E, Nikon D3300, Nikon D5300, Nikon D7100 и т.д.. Фирма Fujifilm вообще стоит особняком в этом плане. Благодаря своим матрицам с цветным фильтром X-Trans, устойчивым к появлению муара из-за особого рисунка цветового фильтра, они отказались от сглаживающего фильтра. Компания Pentax отличилась тем, что выпустила камеру Pentax K-3 с отключаемым сглаживающим фильтром.

Задолго до этого также фирма Kodak производила две камеры DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c, в которых использовались матрицы без размывающего фильтра..

Строго говоря, смягчение артефактов этого типа не является обязательным и может быть скомпенсировано постобработкой конкретного изображения в соответствии с целями фотографа.

Развитие CFA

Фильтр Байера — исходно не только самый первый вариант расположения фильтров на матрице, но и наиболее простой в обработке вариант фильтра. Даже быстрая билинейная интерполяция даёт «конечный результат» в виде полноцветной RGB-картинки.

В отличие от традиционного RGGB-фильтра Байера, при иных цветах светофильтров получение компонентов RGB каждого пиксела требует более сложных алгоритмов, учитывающих в определённых пропорциях значения всех окружающих пикселов. Однако неидеальность цветопередачи и потеря 2/3 светового потока на фильтрах заставили разработчиков искать возможные изменения массива фильтров.

Улучшение цветопередачи

Желание увеличить точность цветопередачи зелёных цветов привела к разработке RGEB-фильтра, в котором половина зелёных ячеек заменена зелёно-голубыми («изумрудными», англ. emerald).

Снимки, сделанные с применением таких матриц, отличаются более плавными переходами голубых цветов и зелёной листвы. Применяется в некоторых камерах фирмой Sony.

Увеличение чувствительности

Также иногда применяются CYGM-фильтры:

Данный фильтр интересен тем, что пропускает приблизительно 2/3 падающего света, задерживая 1/3. Тем самым достигается рост общей светочувствительности матрицы. Однако итоговое цветовое пространство оказывается хуже, чем при аддитивном RGB-наборе фильтров.

Увеличение чувствительности и фотографической широты

Фильтры RGBW в нормальных условиях панхроматического освещения дают большую светочувствительность, но худшую цветопередачу. На освещении, близком к монохроматическому, RGBW превосходит по всем параметрам RGGB за счёт большего числа пикселей, воспринимающих свет.

Сравнение с другими системами

Преимущества перед трёхматричными системами

  • компактность;
  • технологичность, возможность производства интегральной микросхемы со всей прилегающей к ней оптической частью (фильтр Байера, микролинзы, low-pass-фильтр) как единого целого;
  • отсутствие проблем сведения цветов и механической юстировки;
  • возможность применения в зеркальных аппаратах;
  • возможность применения объектива с малым задним вершинным расстоянием, что существенно уменьшает габариты камеры и упрощает оптическую схему при сохранении характеристик;

В сравнении с многослойными сенсорами

Проблемы, присущие фильтрам Байера, было призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц — матрицы X3 компании Foveon, в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет.

  • Однако цветопередача таких матриц в наибольшей степени определяется свойствами кремния как такового, которые нелинейны, и произвольный выбор красителя для фильтрации компонентов невозможен.
  • К сожалению, в многослойных матрицах разделение цветов оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании сигналов R, G, B с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку. Для компенсации этого эффекта требуется вводить агрессивный алгоритм восстановления цветового оттенка. Именно вынужденный подъём насыщенности вносит основной вклад в увеличение итогового шума матрицы.

Сравнение с матрицами с внутрипиксельным цветоделением

По состоянию на 2008 год рано говорить о преимуществах матриц с дихроичными зеркалами внутри каждого пикселя (RGB-матрица Nikon), так как они не вышли из стадии прототипа. Однако очевидно, что матрицы с CFA будут иметь перед ними единственное преимущество — технологичность.

Недостатки систем с мозаикой цветных фильтров

  • Необходимость восстанавливать часть цветовой информации приводит к потере пространственного разрешения в цветных деталях.
  • Процедура восстановления порождает эффект цветного муара и цветные артефакты.
  • Для снижения эффекта цветного муара применяется фильтр нижних частот (low-pass), дополнительно размывающий изображение до его попадания на матрицу. Это приводит к дополнительному снижению разрешающей способности системы в целом и снижению микроконтраста.
  • Снижение резкости в алгоритме и на фильтре low pass делает необходимым применение алгоритмов повышения резкости.

Именно эти объективные недостатки, бывшие особенно заметными на ранних аппаратах с низким разрешением, недостаточно точно выбранной силой фильтра low-pass и достаточно слабым алгоритмами повышения резкости, обусловили распространённое устойчивое мнение о неустранимых недостатках цифровой фотографии по сравнению с плёночной, а также породили другие, менее очевидные легенды.

История, аналоги

Фильтр Байера и расположение световоспринимающих элементов в одной плоскости ведут своё происхождение от растрового способа цветной фотографии.

Однако, в отличие от пластинок «Автохром», растр на матрице имеет регулярную периодическую структуру. Это иногда приводит, при формально лучших параметрах оборудования, к субъективному мнению о «меньшей естественности» цифровой цветной картинки по сравнению с плёночными, так как в природе периодические структуры - большая редкость по сравнению с хаотическими.

Программные библиотеки/утилиты восстановления исходного изображения из мозаики

  • eLynx Image Processing SDK and Lab
  • ImageJ
  • LibRAW